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【本周专题:钻井】钻头于地下冲锋陷阵,两大关键属性已可兼得(四)

【本周专题:钻井】钻头于地下冲锋陷阵,两大关键属性已可兼得(四)

钻头技术直接影响钻井工作效率,ROP和耐久性两大关键属性却往往互为矛盾体。

来自 | Kelli Ainsworth Robinson
编译 | 张德凯 影子

在钻井作业中,虽然钻头只是钻井系统的一个微小组成部分,但它的性能却会对作业效率产生巨大影响。斯伦贝谢Smith Bits公司产品经理Wiley Long说:“整体来看,虽然钻头成本可能低于钻井总成本的1%,但毫无疑问,没有任何一个部件对整体钻井性能的影响比钻头更大。”

为了满足开发商的应用需求,各服务及工具公司都先后采用高级模拟和有限元分析方法,对影响钻头ROP、耐久度等主要参数的问题进行了研究,包括碎屑清除效果差、摩擦生热高和振动等问题。基于这些研究成果,行业内目前已经开发出了多种新型切削齿和布局,并改进了钻头的液压系统。

在过去,提高ROP往往要以降低耐久性为代价;但在目前的钻头行业,“鱼和熊掌”已经可以兼得。Halliburton全球业务发展经理John Campbell说:“纵观钻头行业历史,开发商必须平衡耐久性和ROP,当试图增加钻头的耐久性时,一般也会增加切削齿体积,这会引起ROP降低。”而钻头切削齿布局的最新进展则很好地消除了这一问题,切削齿的锋利程度降低得更缓慢,钻进过程中的ROP也就更理想。

耐久度材料

了解某一地层中限制钻头寿命的因素很重要,NOV的PDC钻头部门主管Tom Roberts表示。“我们正在研究钻头的失效机制,随后将进行技术开发,以降低切削齿的钝化,使钻进速率更高。”热降解和冲击损伤是两种常见的切削齿损坏模式。为此,NOV专门设计了新型ION切削齿,应对以上两种作业挑战。

ION切削齿采用3D外形设计,于2017年中首次推出。Roberts说:“我们进行了大量的实验室测试,包括热力学、磨损、冲击和韧性测试,就是为了开发出一系列能应用于特殊地层的新型金刚石切削齿,同时不受磨损和热损伤问题困扰。”NOV增加了ION切削齿的金刚石材料强度,通过施加更大的压力,使其变得更加致密和坚韧。

此外,NOV还采用深浸工艺将钴从金刚石材料中剔除。“这意味着切削齿可以承受更高的温度。”通常情况下,PDC钻头在温度超过700℃时就开始发生损坏,但ION切削齿可以承受最高1100℃的高温。

Roberts说:“正是这些改变使切削齿的几何外形发生了革命性的变化。得益于技术的进步,我们能够重新审视过去想尝试、但受限于材料耐久度而无法实现的几何形状。”

ION 3D切削齿就是采用新几何形状的产品之一,其抛弃了传统的圆柱形设计,尖部非常锋利,更加容易在岩层表面产生裂缝。“此外,我们发现,在限定ROP的情况下,尖锐的3D切削齿钻头扭矩更低,这对开发商来说非常重要。”

【本周专题:钻井】钻头于地下冲锋陷阵,两大关键属性已可兼得(四)

NOV的ION 3D切削齿旨在减弱热降解和撞击对钻头的损伤,已被广泛应用于阿拉斯加、加拿大、威利斯顿盆地、美国中部和阿曼等地区;目前,NOV正在对ION 4D切削齿进行现场测试。

ION 的3D设计降低了BHA组件的扭矩要求和阻力磨损,减弱了电机表面摩擦状况,同时钻头定向反应更加迅速,这些都能显著降低磨损对钻头和切削齿的影响。

在3D切削齿设计之初,NOV主要考虑将其用于碳酸盐岩层,但在之后的实验室测试中发现,新型设计在各类地层中都表现良好。截至目前,ION 3D切削齿已在全球范围内完成了1000多万英尺的钻进作业。

2018年初,ION 3D切削齿钻头在美国中部的一口井中完成了长达2英里的水平段钻探,66.31小时内钻进10028ft,平均ROP151ft/hr。去年在北路易斯安那州进行的一次作业中,开发商使用装备有ION切削齿的NOV钻头钻探整个水平段,井段量深从11475ft到17115ft,只用一个钻头就完成了所有工作。“在以往的作业中,开发商需要2~3个钻头才能完成这一距离。其中一家开发商提到,他们的钻进目标是每天1000ft,但完成目标的时候非常少;而采用了新型切削齿后,他们却创造出了一天钻进1592ft的记录。”

NOV目前正在进行ION 4D切削齿的现场测试。除了具有ION 3D载荷集中的特点,4D形状还会对地层产生犁削和剪切作用。在威利斯顿盆地,已经进行了一次ION 4D的现场测试,地点与之前的ION 3D切削齿相同。Roberts说:“ION 4D切削齿将平均ROP从139ft/hr提高至160ft/hr。”据估计,至少在今年上半年,NOV将继续进行ION 4D切削齿的现场测试。

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